(57)【要約】【課題】被分析試料の表面から深さ方向の元素分布分析をすることができる電子線プローブマイクロＸ線分析方法を提供すること【解決手段】本発明の電子線プローブマイクロＸ線分析方法は、被分析試料５表面に電子線２を照射し、この電子線２により被分析試料５表面から誘導放出される特性Ｘ線の強度を測定する電子線プローブマイクロＸ線分析において、測定する特性Ｘ線の被分析試料５表面に対する角度を所定の範囲内で変化させて、複数の角度で特性Ｘ線の強度を測定し、各角度で測定した特性Ｘ線の強度に基づいて被分析試料５の元素分析をする。【選択図】図１
2006017673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被分析試料表面に電子線を照射し、この電子線により被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線の強度を測定する電子線プローブマイクロＸ線分析において、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度を所定の範囲内で変化させて、複数の角度で特性Ｘ線の強度を測定し、各角度で測定した特性Ｘ線の強度に基づいて被分析試料の元素分析をする電子線プローブマイクロＸ線分析方法。
【請求項２】
各角度で測定した特性Ｘ線の強度の差分を取ることにより被分析試料の表面からの深さ方向の元素分布を分析する請求項１に記載の分析方法。
【請求項３】
所定の範囲は、０〜４５度、又はそれよりも狭い範囲である請求項１に記載の分析方法。
【請求項４】
特性Ｘ線の強度は、特性Ｘ線検出器で測定し、
特性Ｘ線検出器は、特性Ｘ線検出器に入射する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度が所定の範囲で変化するように移動させられる請求項１に記載の分析方法。
【請求項５】
特性Ｘ線検出器は、移動中、その特性Ｘ線取入口が被分析試料表面中心に向いている請求項４に記載の分析方法。
【請求項６】
特性Ｘ線検出器は、被分析試料を中心とする同心円上を移動させられる請求項４に記載の分析方法。
【請求項７】
元素分析がされる被分析試料表面に電子線を照射する電子線照射器と、
電子線が照射されるように前記被分析試料を保持する被分析試料保持部と、
被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線を検出する特性Ｘ線検出器と、
特性Ｘ線検出器に入射する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度が所定の範囲で変化するように特性Ｘ線検出器を移動させる特性Ｘ線検出器駆動器とを備える電子線プローブマイクロＸ線分析装置。
【請求項８】
特性Ｘ線検出器は、その特性Ｘ線取入口の前に、特性Ｘ線の入射範囲を制限する開口制限部材をさらに備え、開口制限部材は、特性Ｘ線検出器と共に移動する請求項７に記載の装置。
【請求項９】
特性Ｘ線検出器は、波長分散型Ｘ線分光器である請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
所定の範囲は、０〜４５度、又はそれよりも狭い範囲である請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
特性Ｘ線検出器駆動器は、特性Ｘ線検出器が被分析試料を中心とする同心円上を移動する被分析試料を中心とする同心円上を移動するように、特性Ｘ線検出器を移動させる請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線プローブマイクロＸ線分析方法、及びその装置に関する。本発明の方法は、被分析試料の表面から深さ方向の元素分布分析をするために好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
従来、試料の微小領域分析、表面分析の元素分析を行う技術として、電子線を被分析試料に照射し、照射された微小領域、表面から放出する特性Ｘ線をＸ線検出器により検出する電子線プローブマイクロＸ線分析装置（ＥＰＭＡ）が知られている。
【０００３】
しかしながら、従来のＥＰＭＡでは、たとえば試料表面上に微小物が存在する場合及び試料表面にごく薄い（マイクロメータ以下の厚み）層が存在する場合には、試料内部および微小物体、または試料表面の薄層の両方からの特性Ｘ線を検出することになり試料内部からの特性Ｘ線の発生が大きく微小物体または試料表面の薄層のみを分析することは困難であった。この場合、測定のための電子線プローブのエネルギーを低加速にし、進入電子線深さを小さくして測定深さを制御する方法も考えられているが、測定元素が不明の場合には加速電圧を極端に下げることが出来ず、すべての元素の検出には使用できない。そこで、この問題を解決するものとして、斜出射Ｘ線測定による新しいＥＰＭＡ（以下、斜出射ＥＰＭＡと呼ぶ）が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００４】
この斜出射ＥＰＭＡは、Ｘ線の全反射現象を利用したものであり、電子線励起の特性Ｘ線をＸ線検出器により検出する際に、試料内部からの特性Ｘ線が全反射現象により検出されない角度以下に特性Ｘ線の取出し角度を設定することで、試料表面上の微小物体または試料表面の薄層からの特性Ｘ線のみを検出可能としている。
【特許文献１】特開２００２−２８６６６１号公報
【特許文献２】特開２００１−２０８７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した斜出射ＥＰＭＡでは、Ｘ線の全反射現象を利用して試料の極表面の元素分析が可能になるが、試料の深さ方向の情報を検出することは出来ない。すなわち、積層構造を有する半導体装置の各層の元素分析は表面の測定・評価したい層を露出させる必要があり、実際の積層構造と元素組成が異なることが懸念される。
【０００６】
また、表面の評価層がある場合においては、表面酸化の状態及びその層の上部に他の層が積層されることによる評価層の変質等により、評価元素が実際と異なり、元素分析結果を間違わせる結果となる。
【０００７】
また、通常のＥＰＭＡ法では積層構造の電子線進入深さのすべての層の合算の元素組成が検出され、各層の元素組成分析は出来ていない。
【０００８】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、被分析試料の表面から深さ方向の元素分布分析をすることができる電子線プローブマイクロＸ線分析方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電子線プローブマイクロＸ線分析方法は、被分析試料表面に電子線を照射し、この電子線により被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線の強度を測定する電子線プローブマイクロＸ線分析において、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度を所定の範囲内で変化させて、複数の角度で特性Ｘ線の強度を測定し、各角度で測定した特性Ｘ線の強度に基づいて被分析試料の元素分析をする。
【発明の効果】
【００１０】
一般に、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度が大きいほど、測定される特性Ｘ線のうち被分析試料の内部から放出されるものの割合が増加する。従って、この角度を変えながら、複数の角度で特性Ｘ線の強度を測定し、得られたデータを比較することによって、被分析試料の表面から深さ方向の元素組成分析を行うことができる。
【００１１】
本発明によれば、化合物半導体の薄膜積層構造の元素組成及び分布分析を設計、品質管理に必要な精度で評価することが出来、工業的規模での化合物半導体装置の歩留り管理、改善及び高性能化のための設計が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
１．電子線プローブマイクロＸ線分析方法
本発明の電子線プローブマイクロＸ線分析方法は、被分析試料表面に電子線を照射し、この電子線により被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線の強度を測定する電子線プローブマイクロＸ線分析において、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度を所定の範囲内で変化させて、複数の角度で特性Ｘ線の強度を測定し、各角度で測定した特性Ｘ線の強度に基づいて被分析試料の元素分析をする。
【００１３】
１−１．被分析試料表面に電子線を照射する工程
被分析試料とは、例えば、積層構造を有する半導体装置である。従来の方法（例えば、斜出射電子線プローブマイクロＸ線分析方法）では、表面近傍の元素組成分析を行うことはできるが、表面層の下層の元素組成分析を行うことはできなかった。このため、上層を剥離して、分析対象となる層を露出させてから元素組成分析が行われる場合もあった。しかし、上層の剥離時に下層が変質する可能性があり、また、下層を露出させる工程には手間がかかるという問題があった。本発明では、下層を露出させることなく、容易に下層の元素組成分析を行うことができる。従って、本発明は、積層構造を有する半導体装置の各層の元素組成分析などに好適に用いられる。
【００１４】
電子線は、電子銃から放たれて、被分析試料表面に照射される。電子線が通過する経路中には、通常、電子線を集束させる集束レンズ及び対物レンズが設けられ、電子線は、通常、１〜３０ｋｅＶ程度のエネルギーを有するように加速され、被分析試料表面では、直径４０ｎｍ〜３００ｎｍ程度に集束される。
【００１５】
１−２．この電子線により被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線の強度を測定する工程
電子線が被分析試料表面に照射されると、その照射された部位から特性Ｘ線が誘導放出される。各元素は、それぞれ固有のエネルギーを有する特性Ｘ線を放出する。従って、特性Ｘ線のエネルギースペクトラム（特性Ｘ線のエネルギー分布と各エネルギーのＸ線の強度の関係を示す。）を求めることにより、電子線が照射された領域に存在する元素の組成を求めることができる。特性Ｘ線は、通常、電子線照射部位から全方向に照射される。しかし、被分析試料内部の電子線照射部位から放出されるＸ線のうち、試料表面への入射角が所定値以上のものは、試料表面で全反射され、観測することができない。そのため、被分析試料表面に対する角度が小さいＸ線を検出するように特性Ｘ線検出器を配置すると、試料表面近傍の電子線照射部位からの特性Ｘ線を検出することができる。また、被分析試料表面に対する角度が大きいＸ線を検出するように特性Ｘ線検出器を配置すると、試料表面近傍と試料内部の電子線照射部位からの特性Ｘ線を検出することができる。このため、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度を所定の範囲内で変化させて、複数の角度で特性Ｘ線の強度を測定し、各角度で測定した特性Ｘ線の強度に基づいて被分析試料の元素分析をすると、試料内部の元素組成についての情報を得ることができる。具体的には、例えば、各角度で測定した特性Ｘ線の強度の差分を取ることにより被分析試料の表面からの深さ方向の元素分布を分析することができる。
【００１６】
上記所定の範囲は、好ましくは、０〜４５度、又はそれよりも狭い範囲である。この範囲で、測定すれば、十分に深い位置の元素組成分析を行うことができるからである。
【００１７】
特性Ｘ線の強度は、好ましくは、特性Ｘ線検出器で測定する。また、特性Ｘ線検出器に入射する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度が所定の範囲で変化するように特性Ｘ線検出器を移動させることにより、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度を所定の範囲内で変化させることが好ましい。なお、特性Ｘ線検出器の位置を移動させる代わりに、被分析試料を並進又は回転移動させて、測定する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度を変化させてもよい。これは、具体的には、例えば、被分析試料を保持する固定台を上下移動させるか、または、この固定台を傾けることにより、行うことができる。
【００１８】
特性Ｘ線検出器は、好ましくは、移動中、その特性Ｘ線取入口が被分析試料表面中心に向いている。この場合、特性Ｘ線検出器が移動しても、特性Ｘ線が特性Ｘ線検出器に入射するときの入射角を変化させることなく、特性Ｘ線を検出することができ、各角度で測定した結果を容易に比較することができるからである。特性Ｘ線検出器は、好ましくは、被分析試料を中心とする同心円上を移動させられる。被分析試料からの距離を一定にすることで、各角度で測定した結果を容易に比較することができるからである。
【００１９】
２．電子線プローブマイクロＸ線分析装置
本発明の電子線プローブマイクロＸ線分析装置は、元素分析がされる被分析試料表面に電子線を照射する電子線照射器と、電子線が照射されるように前記被分析試料を保持する被分析試料保持部と、被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線を検出する特性Ｘ線検出器と、特性Ｘ線検出器に入射する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度が所定の範囲で変化するように特性Ｘ線検出器を移動させる特性Ｘ線検出器駆動器とを備える。
【００２０】
２−１．電子線照射器
電子線照射器は、元素分析がされる被分析試料表面に電子線を照射する。電子線照射器には、例えば、公知の電子銃を用いることができる。また、電子線が通過する経路中には、通常、電子線を集束させる集束レンズ及び対物レンズが設けられ、電子線を被分析試料表面に集束させる。
【００２１】
２−２．被分析試料保持部
被分析試料保持部は、電子線が照射されるように前記被分析試料を保持する。被分析試料保持部は、好ましくは、電子線が実質的に垂直に照射されるように前記被分析試料を保持する。被分析試料保持部は、好ましくは、被分析試料を上下移動させる上下移動駆動部を備える。また、被分析試料保持部は、好ましくは、被分析試料を傾ける傾斜駆動部を備える。各駆動部は、例えば、ステップモーター及び駆動制御部で構成することができる。
【００２２】
２−３．特性Ｘ線検出器
特性Ｘ線検出器は、被分析試料表面から誘導放出される特性Ｘ線を検出する。特性Ｘ線検出器は、好ましくは、その特性Ｘ線取入口の前に、特性Ｘ線の入射範囲を制限する開口制限部材をさらに備え、開口制限部材は、特性Ｘ線検出器と共に移動する。この場合、被分析試料表面に対して特定の角度を有する特性Ｘ線のみが特性Ｘ線検出器に入射することにより、正確な分析を可能とするからである。開口制限部材は、例えば、スリット又はアパーチャーを有する部材である。
また、特性Ｘ線検出器は、好ましくは、波長分散型Ｘ線分光器である。この場合、エネ  ルギー分散型に比べ波長分散型は組成分解能が高いからである。
【００２３】
２−４．特性Ｘ線検出器駆動器
特性Ｘ線検出器駆動器は、特性Ｘ線検出器に入射する特性Ｘ線の被分析試料表面に対する角度が所定の範囲で変化するように特性Ｘ線検出器を移動させる。特性Ｘ線検出器駆動器は、例えば、回転駆動モーターと回転駆動制御部とで構成することができる。上記所定の範囲は、好ましくは、０〜４５度、又はそれよりも狭い範囲である。この範囲で、特性Ｘ線検出器を移動させれば、十分に深い位置の元素組成分析を行うことができるからである。
【００２４】
また、特性Ｘ線検出器駆動器は、好ましくは、特性Ｘ線検出器が被分析試料を中心とする同心円上を移動する被分析試料を中心とする同心円上を移動するように、特性Ｘ線検出器を移動させる。この場合、常に同じ距離及び入射角で被分析試料からの特性Ｘ線が特性Ｘ線検出器に入射することになり、特性Ｘ線検出器を移動させながら複数の角度で測定したデータを互いに比較することが容易になるからである。
【実施例１】
【００２５】
１．電子線プローブマイクロＸ線分析装置の構成
図１は、本発明の実施例１に係る電子線プローブマイクロＸ線分析装置の構成を示す正面図である。本実施例の電子線プローブマイクロＸ線分析装置（ＥＰＭＡ装置）は、元素分析がされる被分析試料５表面に電子線２を照射する電子銃（電子線照射器）１と、電子線２が照射されるように前記被分析試料５を保持する試料ステージ（被分析試料保持部）８と、被分析試料５表面から誘導放出される特性Ｘ線を検出するＸ線カウンター（特性Ｘ線検出器）６と、特性Ｘ線検出器６に入射する特性Ｘ線の被分析試料５表面に対する角度が所定の範囲で変化するように特性Ｘ線検出器６を移動させる回転駆動用モーター（特性Ｘ線検出器駆動器）１１とを備える。
【００２６】
電子線２が通過する経路中には、電子線２を集束させる集束レンズ３及び対物レンズ４が設けられる。試料ステージ８は、ステップモーター９によって上下駆動され、ステップモーター９は、駆動制御部１０によって制御される。Ｘ線カウンター６は、Ｘ線計測部７に電気的に接続され、Ｘ線計測部７は、Ｘ線カウンター６からの信号を受けてＸ線を計測する。また、Ｘ線カウンター６は、回転駆動用モーター１１によって試料ステージ８を中心に回転駆動され、回転駆動用モーター１１は、駆動制御部１２によって制御される。Ｘ線カウンター６の前にはＸ線カウンター６と連動して動くスリット１４が載置してある。Ｘ線計測部７、駆動制御部１０及び駆動制御部１２は、Ｘ線計測値判定・演算部１３に電気的に接続される。
【００２７】
２．電子線プローブマイクロＸ線分析方法
次に、上記装置を用いて、電子線プローブマイクロＸ線分析を行う方法について説明する。
【００２８】
まず、電子銃１から電子線２を射出し、集束レンズ２及び対物レンズ３により試料５に集束して照射する。電子線照射部位からは放出された特性Ｘ線はＸ線カウンター６で検出され、Ｘ線検出器７で計測される。斜出射位置での測定においては、Ｘ線検出器７で計測されたデータに基づいて、ステップモーター９及びその駆動制御部１０、並びに回転駆動用モーター１１及びその駆動制御部１２により、斜出射配置となるように試料５とＸ線カウンター６の位置を調節する。また、深さ方向分布測定においては、回転駆動用モーター１１及びその駆動制御部１２により、上記斜出射配置よりＸ線カウンター６を試料５の周りを回転させながら特性Ｘ線をＸ線検出器７で計測する。
【００２９】
次に、本発明の方法により、化合物半導体装置（例えば、ＧａＡｌＩｎＰ系発光素子）の積層層（例えば１０ｎｍのＧａＡｓ／５０ｎｍのＡｌＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ基板）の組成を評価する。まず、評価対象試料５を試料台表面に載置する。次に電子銃１から射出された電子線を集束レンズ２及び対物レンズ３で収束されて試料５に照射する。試料５表面付近で発生した特性Ｘ線はＸ線カウンター６で検出する。Ｘ線検出器７で計測されるピークを観測しつつ、ステップモーター９及び回転駆動用モーター１１を用いて、ＧａＡｓ層のみのピークが観察されるように（Ａｌ、Ｉｎ、Ｐのピークが消光するように）配置調整を行う。次に、回転駆動用モーター１１を用いて、試料ステージ８を中心にＸ線カウンター６を回転駆動させる。この際、角度を０．１°刻みで変えながら、Ｘ線カウンター６で特性Ｘ線を検出する。このとき、組成分析の標準試料（今回は、ＧａＡｓ，Ａｌ，ＩｎＰ，）を同時に測定する。この標準試料から得られるピーク強度と、被分析試料から得られるピーク強度とを比較することにより、被分析試料に含まれる各元素の割合を求めることができる。
【００３０】
また、被分析試料表面に対する特性Ｘ線の角度と観測可能な深さの関係は、各層の屈折率などのパラメータに基づく理論計算によって求めることができる。
また、特性Ｘ線強度（Ｉ）は、以下の数式に基づいて理論的に求められる。
【数１】
2006017673.tif 000003
但し、Ｉe（ｚ）は、深さｚでの電子線励起のＸ線強度を示し、この分布は、モンテカルロシミュレーションにより計算される。また、Ｅj（ｚ）は、特性Ｘ線の斜出射角での脱出過程において深さｚでＸ線が作る電場強度を示し、表面、界面におけるＸ線の屈折、反射より計算される。さらに詳しくは、Journal of Surface Science and Nanotechnology (2003)pp111-115を参照。
【００３１】
上記被分析試料の測定結果と、標準試料の測定結果及び理論計算から求めた観測深さと出射角度の関係を用いて、Ｘ線計測値判定・演算部１３において、各角度のＸ線計測部の結果の差分を演算することにより、深さ方向の組成分布を求めることができ、積層層の組成分布が評価できる。
【００３２】
上記実施の形態に用いたに用いたＥＰＭＡにおいては、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いたが、波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＳ）を用いたＸ線計測を行うようにしたものについても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係る電子線プローブマイクロＸ線分析装置の構成を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  電子銃
２  電子線
３  集束レンズ
４  対物レンズ
５  測定対象試料
６  Ｘ線カウンター
７  Ｘ線計測部
８  試料ステージ
９  上下駆動するためのステップモーター
１０  駆動制御部
１１  回転駆動させる回転駆動用モーター
１２  駆動制御部
１３  Ｘ線計測値判定・演算部
１４  スリット
【図１】
2006017673.tif 000004